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이차전지 양극활물질 제조용 소성로의 열화학적 해석
Thermo-Chemical Analysis of a Calcination Furnace to Produce Cathode Material for the Secondary Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.12 no.2, 2009년, pp.155 - 161  

황민영 (부산대학교 대학원 기계공학부) ,  김용균 (부산대학교 대학원 기계공학부) ,  전충환 (부산대학교 대학원 기계공학부) ,  송주헌 (부산대학교 대학원 기계공학부) ,  김용태 (부산대학교 대학원 기계공학부) ,  장윤한 ((주)엘엔에프)

초록
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리튬 2차전지는 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되어 왔다. 최근 하이브리드 자동차, 전기자동차의 에너지 저장매체로써 적용으로 인해 시장 확대가 기대되고 있다. 양극 활물질은 리튬2차전지의 성능, 수명, 용량을 결정하는 물질이며, 급증하는 시장의 수요에 따라 양극 활물질을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발하는 것이 시급하다. 본 연구에서 실제 양극 활물질($LiCoO_2$) 생산라인에서 가동 중인 소성로를 3D 모델링하였고, 수치적 해석을 통해 소성로 내부의 온도와 유동의 방향, 화학적 거동을 밝혀내었다. 결과로써, 생산량 증가로 인해 소성로에서 생성되는 $CO_2$ 농도가 증가하며 정체되는 지점을 확인하였고, TGA-DSC 실험을 통해 $CO_2$몰분율 15%이상에선 $LiCoO_2$의 적절한 형성에 영향을 주는 현상을 확인하였다. 또한 소성로의 형상변화와 공정조건의 변화를 통해 문제되는 $CO_2$를 원활히 배출할 수 있는 해결책을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Lithium secondary batteries have been widely used in the portable electric devices as power source. Recently it is expected that the realm of its applications expands to the markets such as energy storage medium of hybrid electric vehicle(HEV), electric vehicle(EV). Cathode active material is crucia...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 국내외의 연구소와 대학들에서도 재료적 측면에서의 고성능, 고수명의 양극활물질에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 실공정 적용에 대한 연구는 미흡하고, 대부분의 생산공정 기술이 외국의 기술을 이용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실제로 다량의 이차전지 양극활물질을 생산하는 소성 공정에 대한 수치적 해석을 통하여 소성로 내부 유동의 열적, 화학적 특성을 파악하고, 공정조건 변화를 통한 생산량 증가시 양극활물질의 생산성능에 미칠수 있는 영향을 파악하고, 해결책을 모색하고자 한다.

가설 설정

  • 먼저 Table. 1과 같이 소성로를 14개의 구역으로 나누어 볼 때, 화학반응이 일어나는 영역은 2번째 영역부터 5번째 영역으로 가정하였다. 가정에 대한 검증을 위해, 소성로 기초 전산해석에서 반응이 일어나는 450℃에 도달하는데 걸리는 시간을 계산한 결과 70분으로 측정되었고, 이는 실제 운행중인 소성로 공정의 롤러 이송 시간을 비교하였을 때, 2번째 영역에 해당됨을 확인하였다.
  • 3) 을 사용하였다. 소성로 공정은 화학반응을 수반한 모든 열전달이 일어나는 공정이므로 해의 수렴과 해석시간의 단축을 위해 몇 가지 가정을 하였다. 먼저 Table.
  • 가정에 대한 검증을 위해, 소성로 기초 전산해석에서 반응이 일어나는 450℃에 도달하는데 걸리는 시간을 계산한 결과 70분으로 측정되었고, 이는 실제 운행중인 소성로 공정의 롤러 이송 시간을 비교하였을 때, 2번째 영역에 해당됨을 확인하였다. 화학반응은 중간반응식 없이 전체 반응이 완전히 일어냐며, 화학반응의 반응량은 5번째 영역까지 지수적으로 감소할 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 운전 중인 2차전지 LiCoO2 양극 활물질을 제조 하는 소성로를 바탕으로 기존의 운전조건에 대한 신뢰성 검증과 여러 가지 공정조건 변화에 따른 소성로 내부의 열화학적인 거동에 대한 예측을 한 결과는 어떻게 나타났는가? 1. 실 공정 전산해석을 위한 실험과 가정을 통해 15%이상의 CO2 농도가 LiCoO2의 형성 반응에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 2. 현재 운전 중인 소성로는 850℃로 균일하게 온도 유지가 되며 CO2 농도도 10% 이내로 해석되어 열 유동 분포의 안정성과 신뢰성을 검증하였다. 3. 전산 해석결과 CO2 유동이 정체되는 지점을 발견 하였고, 재료량을 증가시 CO2 농도가 26%까지 상승함을 발견하였다. 4. CO2의 적절한 배출을 위해 기존 소성로 하부의 배출구 형성과 부압효과를 통해 CO2 농도를 5%까지 낮출 수 있었다.
현재 양극 활물질에는 무엇이 개발되어 있는가? 현재 양극 활물질에는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNixCoxO2 등이 사용목적에 따라 개발되어 있다. 국내외의 연구소와 대학들에서도 재료적 측면에서의 고성능, 고수명의 양극활물질에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 실공정 적용에 대한 연구는 미흡하고, 대부분의 생산공정 기술이 외국의 기술을 이용하고 있다.
소성로 공정이란 무엇인가? 소성로 공정은 먼저 가루로 만들어 잘 혼합한 전구체를 다공성 세라믹 용기에 넣고 850℃에서 900℃ 분위기의 소성로에서 합성하는 방법이다. 소성로내 온도, 분위기 가스와 합성시간에 따라 얻어지는 양극 활물질의 입자 크기와 분포, 결정구조가 달라지기 때문에 소성로 내부의 온도 분포와 반응가스의 유동을 보는 것은 아주 중요하다.
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참고문헌 (14)

  1. 한국전지연구조합, '국내리튬이차전지 생산 및 수출규모' 

  2. 정용찬, '리튬이차전지에서의 양극물질로서 LiCo1-xMnx $O_{2}$ 의 특성에 관한 연구' 서울대학교 대학원, 공학석사학위 논문, 1-2 (2002) 

  3. E. Antolini, 'LiCo $O_{2}$ :formation,structure, lithium and oxygen nonstoichiometry, electrochemical behavior and transport properties'. Solid state ionics 170 (2004) 

  4. E. Plichta, M. Salomon, S. Slane, M. UchiyamaD, Chua, W. B. Ebnerb, and H. W. Lin 'A rechargeable Li/LixCo $O_{2}$ cell', J. power Sources, Vol. 21, 25-31 (1987) 

  5. C. Wolverton and Alex Zunger, 'Prediction of Li intercalation and Battery Voltages in Layered vs. Cubic LixCo $O_{2}$ ', J. Electrochem. Soc., 145, 2424-2431 (1994) 

  6. P. G. Bruce and M. Y. Saidi, 'A two-step model of intercalation', Solid State Ionics, 51, 187-190 (1992) 

  7. Y. Shao-Horn, S. A. Hackney, A. J. Kahaian, and M. M. Thackeray, 'Structure Stability of LiCo $O_{2}$ at 400 ${^{\circ}C}$ ', J. Solid state Chem., 168, 60-68 (2002) 

  8. Y. Shao-Horn and S. A. Hackney, 'Structure Features of Low-Temperature LiCo $O_{2}$ and Acid-Delithiated Products', J. Solid state Chem., 140, 116-127 (1998) 

  9. K. Kushida and K. Kuriyama, 'Narrowing of the Co-3d band related to the order-disorder phase transition LiCo $O_{2}$ ', Solid state Communications, 123, 349-352 (2002) 

  10. E. I. Santiago, A. V. C Andrade, C. O. Paiva-Santos, and L. O. S. Bulhoes, 'Structure and electrochemical properties of LiCo $O_{2}$ prepared by combustion synthesis', Solid state Ionics, 158, 91-102 (2003) 

  11. C. -H. Han, Y. -S. Hong, C. M. Park, and K. Kim, J. Power Sources 92, 95 (2001) 

  12. A. Lundblad and B. Bergman, 'Synthesis of LiCo $O_{2}$ starting from carbonate precusors 1. The reaction mechanisms', Solid state Ionics 96, 173-181 (1997) 

  13. A. Lundblad, B. Bergman, 'Synthesis of LiCo $O_{2}$ starting from carbonate precusors 2. Influence of calcination conditions and leaching', Solidstate Ionics 96, 183-193 (1997) 

  14. 황성주, '리튬 2차전지용 양극 활물질 LiCo $O_{2}$ 의 온도와 산소분압에 따른 상전이 거동' 경북대학교 대학원, 공학석사학위논문, 18-32 (2004) 

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